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[摘 要]大功率滚筒式采煤机摇臂壳体承受载荷大，受力状况复杂，其结构的合理与否直接会影响整机的使用寿命和生产效率。本文采用有限元软件Ansys/Workbench对MG750/1800-WD型采煤机的摇臂壳体进行了静力学分析，获取了壳体的应力和应变分布特性，为大功率采煤机摇臂壳体的结构设计和改进提供了理论参考。
[关键词]大功率采煤机；摇臂壳体；有限元
中图分类号：TD421.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0003-01
我国是产煤大国。当前，国家大力发展大型煤矿建设，作为煤矿开采的核心设备之一的采煤机也迎来了一轮新的发展机遇和挑战。为满足大型煤矿基地的生产需要，大功率滚筒采煤机成为煤矿井下高效开采方法的主要设备。它因为适应性强，生产效率和机械化程度高等优点得到了飞速的发展[1]。摇臂壳体是滚筒式采煤机的核心部件之一，是一种尺寸大、结构复杂的铸造零件。大功率采煤机的摇臂不但承受的载荷极大，而且受力状态也极为复杂，这使得其在工作工程中常发生较大变形而影响整机的工作稳定性[2]。为了给大功率采煤机摇臂的设计和结构改进提供理论依据，本文采用有限元方法对MG750/1800-WD型采煤机的摇臂壳体进行了静力学分析，较准确的获取了该摇臂的应力与变形特征。
1.摇臂壳体的有限元模型
1.1 三维模型的构建与导入
摇臂壳体结构较为复杂，本文通过PRO/E三维软件创建摇臂模型，然后导入ANSYS进行后续处理[3]。为了提高有限元模型的运算效率，对摇臂壳结构作出如下简化：忽略导致划分网格量增大的部分同时又不影响摇臂强度分布的细微结构，如螺纹孔、不必要的倒角和圆角；摇臂壳体与动力输出端的内齿圈采用刚性连接，忽略两部件之间的螺栓联接方式和联接面缝隙，即视为整体。
1.2 壳体的网格划分
1.3 约束与载荷施加
准确的边界条件和载荷情况是正确进行有限元模拟的基础。因此，需要对实际工作过程中采煤机摇臂壳体的约束边界条件和载荷加载进行深入分析。
（1）约束边界处理
采煤机摇臂装配时，摇臂的回转腿耳孔与调高油缸通过销轴连接，摇臂的牵引部连接耳孔与采煤机牵引部也通过销轴连接。因此，需要对采煤机摇臂壳体的油缸耳孔和牵引部连接耳孔进行约束。由于调高油缸只能承受油缸推进方向上的力，不能承受铰接耳孔方向上的轴向力，因此在油缸耳孔处只添加径向约束，并使油缸耳孔切向和轴向自由。由于与牵引箱铰接的耳孔处必须承受来自截割载荷的轴向力，因此需要在联接牵引箱耳孔处添加径向约束和轴向约束，但需要切向自由。
（2）载荷加载分析
摇臂所受载荷主要在轴承孔和内齿圈，轴承孔载荷如表1。内齿圈承受189561000N·mm的扭矩。
2.仿真结果分析
对摇臂壳体进行静力学分析，仿真结果如图2所示。应力和应变云图通过颜色深浅表示相应的受力和变形大小。红色便是变形和受力最大，蓝色表示最小。由图1可知，摇臂壳体的齿圈部分和悬臂部分是主要受力区域，其受力和变形相对后部较小。整个壳体的最大应力为36.7Mpa，最大位移为0.533mm，满足强度要求。
行星机构外的壳体与直齿传动部分壳体连接处有较大的应力集中（如图2（a）），这交易引起摇臂的疲劳损坏，需要采取增大圆角半径等措施减小该处应力应变值。由图2（b）可知，壳体方形孔处也有应力集中，且该区域整个部位受力和变形均较大，故该部分结构强度需要加强。
3.结论
采用有限元方法建立了摇臂壳体的承载数值模型，在此基础上分析了壳体的整体受力和变形情况。数值模拟结果表明：行星机构外的壳体与直齿传动部分的壳体连接处应力集中较为明显，该连接处需要通过平滑连接结构以降低应力集中.截三轴靠近行星部分轴承座应力应变相对较大，该部分强度需增强。
参考文献
[1] 毛德兵，蓝航，徐刚.我国薄煤层综合机械化开采技术现状及其新发展[J].煤矿开.
采.2011，16（3）：33-34.
[2] 罗延忠.采煤机摇臂壳体的有限元分析[J].桂航学术研究.1998，3（4）：36-40.
[3] 杨瑞锋，李玉标，姜振波.采煤机行星架的有限元分析及优化[J].煤矿机电.2011（6）：72.
[关键词]大功率采煤机；摇臂壳体；有限元
中图分类号：TD421.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）23-0003-01
我国是产煤大国。当前，国家大力发展大型煤矿建设，作为煤矿开采的核心设备之一的采煤机也迎来了一轮新的发展机遇和挑战。为满足大型煤矿基地的生产需要，大功率滚筒采煤机成为煤矿井下高效开采方法的主要设备。它因为适应性强，生产效率和机械化程度高等优点得到了飞速的发展[1]。摇臂壳体是滚筒式采煤机的核心部件之一，是一种尺寸大、结构复杂的铸造零件。大功率采煤机的摇臂不但承受的载荷极大，而且受力状态也极为复杂，这使得其在工作工程中常发生较大变形而影响整机的工作稳定性[2]。为了给大功率采煤机摇臂的设计和结构改进提供理论依据，本文采用有限元方法对MG750/1800-WD型采煤机的摇臂壳体进行了静力学分析，较准确的获取了该摇臂的应力与变形特征。
1.摇臂壳体的有限元模型
1.1 三维模型的构建与导入
摇臂壳体结构较为复杂，本文通过PRO/E三维软件创建摇臂模型，然后导入ANSYS进行后续处理[3]。为了提高有限元模型的运算效率，对摇臂壳结构作出如下简化：忽略导致划分网格量增大的部分同时又不影响摇臂强度分布的细微结构，如螺纹孔、不必要的倒角和圆角；摇臂壳体与动力输出端的内齿圈采用刚性连接，忽略两部件之间的螺栓联接方式和联接面缝隙，即视为整体。
1.2 壳体的网格划分
1.3 约束与载荷施加
准确的边界条件和载荷情况是正确进行有限元模拟的基础。因此，需要对实际工作过程中采煤机摇臂壳体的约束边界条件和载荷加载进行深入分析。
（1）约束边界处理
采煤机摇臂装配时，摇臂的回转腿耳孔与调高油缸通过销轴连接，摇臂的牵引部连接耳孔与采煤机牵引部也通过销轴连接。因此，需要对采煤机摇臂壳体的油缸耳孔和牵引部连接耳孔进行约束。由于调高油缸只能承受油缸推进方向上的力，不能承受铰接耳孔方向上的轴向力，因此在油缸耳孔处只添加径向约束，并使油缸耳孔切向和轴向自由。由于与牵引箱铰接的耳孔处必须承受来自截割载荷的轴向力，因此需要在联接牵引箱耳孔处添加径向约束和轴向约束，但需要切向自由。
（2）载荷加载分析
摇臂所受载荷主要在轴承孔和内齿圈，轴承孔载荷如表1。内齿圈承受189561000N·mm的扭矩。
2.仿真结果分析
对摇臂壳体进行静力学分析，仿真结果如图2所示。应力和应变云图通过颜色深浅表示相应的受力和变形大小。红色便是变形和受力最大，蓝色表示最小。由图1可知，摇臂壳体的齿圈部分和悬臂部分是主要受力区域，其受力和变形相对后部较小。整个壳体的最大应力为36.7Mpa，最大位移为0.533mm，满足强度要求。
行星机构外的壳体与直齿传动部分壳体连接处有较大的应力集中（如图2（a）），这交易引起摇臂的疲劳损坏，需要采取增大圆角半径等措施减小该处应力应变值。由图2（b）可知，壳体方形孔处也有应力集中，且该区域整个部位受力和变形均较大，故该部分结构强度需要加强。
3.结论
采用有限元方法建立了摇臂壳体的承载数值模型，在此基础上分析了壳体的整体受力和变形情况。数值模拟结果表明：行星机构外的壳体与直齿传动部分的壳体连接处应力集中较为明显，该连接处需要通过平滑连接结构以降低应力集中.截三轴靠近行星部分轴承座应力应变相对较大，该部分强度需增强。
参考文献
[1] 毛德兵，蓝航，徐刚.我国薄煤层综合机械化开采技术现状及其新发展[J].煤矿开.
采.2011，16（3）：33-34.
[2] 罗延忠.采煤机摇臂壳体的有限元分析[J].桂航学术研究.1998，3（4）：36-40.
[3] 杨瑞锋，李玉标，姜振波.采煤机行星架的有限元分析及优化[J].煤矿机电.2011（6）：72.